隨著現(xiàn)代信息科技的發(fā)展，功能芯片的集成密度越來越高，硅基芯片集成器件的密度已經(jīng)超過2億個(gè)晶體管每平方毫米。目前，集成電路芯片主要采用單晶硅制造。與硅材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體材料具有本征柔性、生物相容性、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在可穿戴電子設(shè)備、生物電子器件等新興領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，是一種具有重要應(yīng)用前景的半導(dǎo)體材料。然而，基于有機(jī)半導(dǎo)體制造的有機(jī)芯片在集成度方面卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硅基芯片。

日前，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏大程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種功能型光刻膠，利用光刻技術(shù)在全畫幅尺寸芯片上集成了2700萬個(gè)有機(jī)晶體管并實(shí)現(xiàn)了互連，集成度達(dá)到特大規(guī)模集成度（ultra-large-scale integration，ULSI）水平（圖1）。

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圖1. （a）光刻膠組成;(b)光刻膠聚集態(tài)結(jié)構(gòu);(c)在不同襯底上加工的有機(jī)晶體管陣列；（d）有機(jī)晶體管陣列結(jié)構(gòu)示意圖及光學(xué)顯微鏡照片；（e）有機(jī)光電晶體管成像芯片（PQD-nanocell OPT）與現(xiàn)有商用CMOS成像芯片以及其他方法制造有機(jī)成像芯片的像素密度對(duì)比。

2024年7月4日，該成果以《基于光伏納米單元的高性能大規(guī)模集成有機(jī)光電晶體管》（“Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors”）為題發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）。

據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，芯片集成度可以分為小規(guī)模集成度(SSI)、中規(guī)模集成度(MSI)、大規(guī)模集成度(LSI)、超大規(guī)模集成度(VLSI)和特大規(guī)模集成度(ULSI)，單片集成器件數(shù)量分別大于2、2⁶、2¹¹、2¹⁶、2²¹。

此前，有機(jī)芯片的制造方法主要包括絲網(wǎng)印刷、噴墨打印、真空蒸鍍、光刻加工等，集成度通常只能達(dá)到大規(guī)模集成度(LSI)水平。由范德華力堆疊形成的有機(jī)半導(dǎo)體導(dǎo)電通道在復(fù)雜制造流程中會(huì)受到各種溶劑和熱處理過程的侵蝕，導(dǎo)致芯片性能大幅度降低，特別是對(duì)于特征尺寸降低到微米及以下時(shí)，性能降低尤為顯著。由于小型化和性能的折中，高集成有機(jī)芯片的發(fā)展受到限制。

魏大程團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于新型晶體管材料、器件及傳感應(yīng)用研究。在研究中，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種由光引發(fā)劑、交聯(lián)單體、導(dǎo)電高分子組成的新型功能光刻膠，在聚合物半導(dǎo)體芯片的集成度上實(shí)現(xiàn)新突破。

據(jù)介紹，光刻膠又稱為光致抗蝕劑，在芯片制造中扮演著關(guān)鍵角色，經(jīng)過曝光、顯影等過程能夠?qū)⑺�需要的微�?xì)圖形從掩模版轉(zhuǎn)移到待加工基片上，是一種光刻工藝的基礎(chǔ)材料。傳統(tǒng)光刻膠僅作為加工模板，本身不具備導(dǎo)電、傳感等功能，而這款新型功能光刻膠在光交聯(lián)后形成了納米尺度的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兼具良好的半導(dǎo)體性能、光刻加工性能和工藝穩(wěn)定性，不僅能實(shí)現(xiàn)亞微米量級(jí)特征尺寸圖案的可靠制造，而且圖案本身就是一種半導(dǎo)體，簡(jiǎn)化了芯片制造工藝。

該光刻膠可通過添加感應(yīng)受體實(shí)現(xiàn)不同的傳感功能。為了實(shí)現(xiàn)高靈敏光電探測(cè)功能，團(tuán)隊(duì)在光刻膠材料中負(fù)載了具有光伏效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米粒子。光照下，納米光伏粒子產(chǎn)生光生載流子，電子被內(nèi)核捕獲，產(chǎn)生原位光柵調(diào)控，大幅提升了器件的響應(yīng)度。光刻制造的有機(jī)晶體管互連陣列包含4500×6000個(gè)像素，集成密度達(dá)到3.1×10⁶單元每平方厘米，即在全畫幅尺寸芯片上集成了2700萬個(gè)器件,達(dá)到特大規(guī)模集成度(ULSI)，其光響應(yīng)度達(dá)到6.8×10⁶安培每瓦特，高密度陣列可以轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，實(shí)現(xiàn)了仿生視網(wǎng)膜應(yīng)用。

目前，團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出具有化學(xué)傳感功能、生物電傳感功能的光刻膠。該研究提出了一種功能型光刻膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，將有望促進(jìn)高集成有機(jī)芯片領(lǐng)域的發(fā)展。經(jīng)過多年的技術(shù)累積，團(tuán)隊(duì)制備的有機(jī)芯片在集成度方面已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，該技術(shù)與商業(yè)微電子制造流程高度兼容，具有很好的應(yīng)用前景。

“我們正在積極尋求產(chǎn)業(yè)界合作，希望能夠推動(dòng)科研成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。未來，這種材料一方面能夠用于制造高集成度柔性芯片，另一方面由于其光刻兼容性，還有可能實(shí)現(xiàn)有機(jī)芯片與硅基芯片的功能集成，進(jìn)一步拓展硅基芯片的應(yīng)用。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人魏大程說。

復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一單位，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士研究生張申為第一作者，復(fù)旦大學(xué)魏大程研究員為通訊作者。此外，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院楊迎國(guó)研究員、復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系劉云圻院士等參與了該研究。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委和復(fù)旦大學(xué)的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01707-0